安格莊水庫溢洪道液壓啟閉機糾偏系統調試與優化

張延忠

（河北省水利水電第二勘測設計研究院，石家莊050021）

1 概述

安格莊水庫屬于大（2）型水利樞紐工程，溢洪道工作閘門共3孔， 閘底高程150.30m， 設計擋水位160.0m（最高蓄水位）。 閘門孔口尺寸（寬×高）11 m×10m，結構型式為露頂弧形鋼閘門，斜支臂雙主橫梁，梁系同層布置，止水設在上游側，支鉸采用自潤滑關節軸承。閘門面板曲率半徑17.0m。每扇閘門重67.2t，每孔埋件重7.1t。 閘門主材為Q345C， 埋件主材為Q235B。 啟閉設備選擇為后拉式露頂弧門液壓啟閉機，雙吊點，容量2×1000kN，揚程8.0m，共3臺。液壓缸布置為上端鉸支。 1臺啟閉機配置一個液壓站。 液壓站設2臺油泵，一用一備。

弧形閘門為一空間結構，具有一定的空間剛度，有利于同步運行， 但液壓系統若不采取合理的閉環偏差控制回路，閘門啟閉難以實現靈活可靠，甚至可能出現閘門側輪蹭向閘墩一側， 導致弧門啟閉過程液壓缸出現振動和噪聲現象［1-2］，影響弧門平穩安全可靠啟閉運行。 因此， 溢洪道弧形閘門及啟閉機制造、安裝完成后，根據弧形閘門導向裝置與門槽埋件間隙及啟閉機安裝偏差等實測數據合理確定液壓啟閉機雙缸同步允許偏差值。 本文結合溢洪道弧形閘門現場啟閉調試過程出現的問題， 通過合理確定雙缸同步偏差，優化調整液壓系統糾偏控制程序，確保了閘門正常啟閉運行。

2 同步偏差合理選取

2.1 影響因素分析

在閘門啟閉過程中雙缸同步偏差的形成主要有兩方面的原因：一是雙缸偏載的存在，二是雙缸液壓系統的不對稱［3］。 弧形閘門圍繞支鉸旋轉，影響液壓啟閉機雙缸同步主要有以下因素：弧門結構剛度，閘門側導向裝置的結構及布置，工作行程的大小（最大累計偏差與行程大小有關），閘門及液壓缸支承件的安裝精度等［4］。 具體來說，雙缸載荷大小不僅取決于閘門重量，還與閘門運行阻力相關，水封和支撐行走機構表面的狀態會引起運行阻力變化。 根據壓力與流量的關系， 負載小的液壓缸較負載大的油缸速度快。 液壓系統布置的不對稱性也會形成雙缸同步偏差。由于弧門支鉸及油缸支鉸安裝在閘墩兩側，不可避免地存在安裝誤差。從而啟閉機雙缸運動副摩擦阻力不同，會造成摩擦阻力小的液壓缸運行速度快。液壓系統的內外泄漏等因素同樣會造成雙缸不同步。

2.2 同步允許偏差值合理選取

弧形閘門同步允許偏差理論值可根據閘門極限允許偏斜值確定，而閘門及液壓啟閉機在制造、安裝時存在一定偏差，因此實際工程中需要根據閘門及啟閉機制造及安裝精度合理確定。 液壓缸的行程與閘門開度的關系取決于開度檢測裝置的安裝位置， 工程中通過直接檢測液壓缸行程，即活塞運動的直線距離，經幾何換算得到閘門的開度［5］。 因弧形閘門液壓缸活塞運動的直線距離與閘門開度為非線性關系， 閘門實際開度需經過非線性換算才能得出。 溢洪道露頂弧門液壓缸行程與閘門開度之間的換算關系如圖1。 如圖1所示， 三角形ABC的邊b，c，角β1，β2，面板半徑R，弧門支鉸中心距閘底板高度H0為已知條件。 三角形ABC的邊a由液壓缸行程檢測裝置實時檢測得到，角α隨啟閉行程變化而變化。 p為三角形ABC三邊之和的一半，r為三角形ABC內切圓半徑。 閘門開度Hx按式（1）計算。 露頂弧門在啟閉過程中，當閘門兩側開度處于極限偏差時，液壓啟閉機左右油缸行程亦達到極限偏差。 經換算露頂弧門液壓缸行程極限偏差與閘門開度極限偏差的關系如表1。

圖1 露頂弧門液壓缸行程與閘門開度換算關系

表1 露頂弧門液壓缸行程極限偏差與閘門開度極限偏差的關系

溢洪道弧形閘門在全行程啟閉時， 閘門面板邊緣與側軌設計間隙為31mm，側輪輪緣與側軌設計間隙為10mm。 當閘門由底檻位置開啟至擋水高度時，側輪豎向間距從5.302m增至6.546m。 從表1可知，閘門開度Hx由0 開啟至10m時，閘門兩側開度極限偏差在50～40.4mm之間變化，液壓缸左右缸行程極限偏差在33～20mm之間變化。

弧形閘門及啟閉機制造、安裝完成后，經現場檢查復測和查閱驗收資料，弧形閘門門葉與支臂、支臂與支鉸、側輪與門槽埋件間隙及閘門支鉸座、啟閉機支鉸座安裝精度等數據均滿足規范要求［6-7］。 同步允許偏差取值的基本原則是在弧形閘門啟閉平穩的前提下，盡量減少糾偏調節次數。現場閘門啟閉調試過程中，先預先設定液壓啟閉機雙缸同步允許偏差值，再根據閘門啟閉運行情況進行適當調整。 綜合考慮確定弧形閘門同步允許預設最大偏差值為20mm。

3 液壓同步系統設計

為保證液壓啟閉機2只油缸的同步運行，液壓控制系統需設置同步糾偏回路。 為使閘門運行更加順暢，液壓控制系統采用閉環回路系統。本工程液壓啟閉機采用單比例調速閥同步控制+常規調速器同步控制方式（如圖2），此控制方案為跟蹤式糾偏調節方式，具體來說，采用EPV16-A-06-24D-S-U-13型電液比例閥（39.1）作為動態調節元件，啟閉全程以手動流量控制閥調定的開度為跟蹤目標， 根據雙缸行程偏差進行動態糾偏調節實現雙缸同步運行。 該同步控制方案具有糾偏精度高、簡單實用等優點。具體做法為，為控制液壓缸活塞桿的伸縮速度，在液壓啟閉機有桿腔回路中設置了比例調速閥回路， 同時在該回路并聯了常規調速閥（25.2）回路，一旦比例調速閥發生故障時， 即可開啟對應備用回路的常閉球閥（32.5），使常規回路投入運行，以此來實現2只油缸的同步運行及啟閉速度的調節。 根據閘門啟閉速度的要求，調節常規調速閥（25.1）的開口量，將常規調速閥控制的油缸確定為基準油缸， 比例調速閥控制的油缸設定為隨動油缸。 常規調速閥開口量一旦調定后，基準油缸的速度隨之確定；根據基準油缸的速度， 在比例閥的功率放大板上輸入一對應的基準電壓信號［8］，以保證2只油缸的基本同步。 通過閘門開度檢測裝置， 自動檢測出啟閉運行過程中左右兩側油缸的行程（即可換算為閘門開度），并將檢測出的信號傳送至控制柜內PLC（可編程控制器）。根據閘門開度檢測裝置傳送的信號，PLC將兩側油缸不同步偏差信號大小和極性進行比對［9］；當不同步偏差超出程序設定值時，PLC調整比例閥功率放大器（EEAPAM-523-A-32型放大板） 的電壓信號控制比例閥的開度大小，來控制隨動油缸的速度。在液壓啟閉機進行啟閉時， 當2只油缸的同步偏差超過設定值時，PLC控制程序自動調整隨動油缸比例閥功率放大器的電壓信號值，從而調整比例閥的開口量進行糾偏；當2只油缸的同步偏差小于設定值時，恢復其原電壓信號的設定值。當2只油缸的位置差再次超過設定值時，重復以上動作，以實現2套油缸同步動作。

本工程閘門糾偏控制流程具體為： 在閘門啟閉過程中，閘門行程檢測裝置全程連續檢查2只液壓缸的行程偏差，當行程偏差值（起調值）≥10mm時，PLC控制程序調整電液比例閥39.1進出流量實現同步糾偏，當行程偏差值（最大值）≥20mm時，液壓系統發出報警信號并自動停機， 行程偏差最大值根據現場調試情況進行設定。

4 現場糾偏系統調試與優化

現場調試先手動調試測出比例閥回路的電壓值，以此為依據在比例放大板設定一個預估值，再進行閘門的開啟和關閉。 根據觀察到的閘門開啟和關閉過程中閘門左右偏差變化情況， 反復調整放大板電壓信號給定值， 最終得出閘門開啟和關閉過程中比例閥的基本合理給定值。 基本給定值取值合理的基本原則是，盡量減少糾偏調整次數，每次偏差調整時間要適中，不能過長或太短［10］。

圖2 液壓啟閉機液壓控制系統原理圖

現場調試過程中發現， 各弧門在啟門過程運行狀況明顯優于閉門過程。 啟門過程中閘門開度小于6m時，液壓缸偏差值小于5mm，弧門運行平穩，液壓系統比例調速閥投入糾偏調節次數較少； 當閘門開度大于6m后，液壓缸偏差大于5mm，比例調速閥糾偏頻次明顯增加， 造成這一現象現象的原因可能與閘門埋件安裝精度有關， 可采取弧門適應門槽變化的調試方法［11］加以解決。在2號、3號弧形閘門閉門過程中，閘門下降速率不平滑，有時出現微小跳動，比例閥處于斷續糾偏狀態， 兩只液壓缸甚至出現超差停止運行。 經現場測量閘門閉門過程比例閥回路的電壓值較小，而比例閥回路經常出現關閉，糾偏系統不能及時投入糾偏，導致左右缸同步性差，引起液壓缸出現振動問題。 經過初步分析發現導致這一問題原因是比例調速閥為減少零位泄露， 閥芯零位具有一定的搭接量，存在一定零位死區，而閉門過程比例閥回路的電壓值過小無法“跳過”該死區。 若要消除零位死區的影響，需在PLC控制程序中設置最小工作電壓，使輸入信號“跳過”該死區。為了解決該問題需對2號、3號閘門PLC控制程序進行修改， 在閉門程序中增加 “閉門時比例調速閥輸入信號要大于零位死區（最小工作電壓）”的判斷語句。根據現場測試結果確定，2號閘門閉門時比例閥回路的工作電壓值不小于1.6V，3號閘門比例調速閥回路的工作電壓值不小于1.9V。通過以上判斷，修改了液壓系統PLC控制程序，使比例閥運行消除死區影響。程序修改后，經過再次現場調試，2號、3號閘門液壓系統比例閥糾偏回路能正常穩定工作，閉門過程中液壓缸運行平穩。

經過現場反復啟閉調試， 最終在現地控制柜液晶屏上將各扇閘門糾偏起調值均設定為10mm，同步允許偏差最大值設定為20mm。 2號弧形閘門液壓啟閉機現場調試數據如表2。

表2 2號弧形閘門液壓啟閉機調試數據

從表2數據可以看出，2號弧形閘門啟門過程2只液壓缸偏差值在-3～5mm之間變化， 閉門過程2只液壓缸偏差在-9～-10mm之間變化，2號閘門啟閉全行程過程2只液壓缸運行平穩， 糾偏系統工作頻次合理，沒有出現因超差出現停機現象。

5 結語

（1） 溢洪道露頂弧形閘門液壓啟閉機采用單比例調速閥同步控制+常規調速器同步控制方式。該方案具有糾偏精度高、簡單實用等優點，能夠滿足溢洪道弧形閘門平穩運行的要求。

（2） 液壓啟閉機雙缸同步允許偏差設定值先通過幾何換算得出，再結合現場實際情況合理確定。現場調試結果表明， 液壓啟閉機雙缸允許偏差值和糾偏系統程序根據現場調試情況調整優化， 能實現液壓啟閉機雙缸運行平穩， 確保弧形閘門安全可靠正常啟閉運用。

（3）鑒于弧形閘門在閘門開度大于6m后，比例調速閥糾偏頻次明顯增加， 建議采用弧門適應門槽變化的調試方法，將弧門啟閉曲線擬合門槽安裝曲線，以保證閘門根據門槽曲線啟閉。